畢文濤

(南京鋼鐵聯(lián)合有限公司，江蘇 南京 210044)

1 概 述

南京鋼鐵股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱“南鋼”)1#高爐投產(chǎn)于2004年6月，已運(yùn)行13年，有效容積為2000 m3，是南鋼第一座大高爐，設(shè)計(jì)利用系數(shù)2.2 t/(m3·d)，實(shí)際平均利用系數(shù)為2.3～2.5 t/(m3·d)。爐底下部鋪設(shè)水冷管，向上采用石墨+半石墨炭磚(1層石墨炭磚+5層半石墨炭磚)與陶瓷墊(2層)配合設(shè)計(jì)，爐缸采用熱壓UCAR小炭磚+陶瓷杯砌筑。爐底側(cè)面，爐缸區(qū)采用冷卻壁冷卻方式，其中風(fēng)口帶以下設(shè)4段光面冷卻壁，壁厚160 mm，材質(zhì)為低鉻鑄鐵，風(fēng)口區(qū)為1段異形光面冷卻壁，雙層水管冷卻。爐腹下部B1段采用一段鐵素體球墨鑄鐵鑲轉(zhuǎn)冷卻壁，作為銅冷卻壁與鑄鐵冷卻壁之間的過渡，爐腹中部至爐身下部B2～S2段設(shè)置4段銅冷卻壁，設(shè)計(jì)爐齡最少為15年，由于開爐后爐腹下部B1段冷卻壁水管頻繁燒壞，影響高爐生產(chǎn)，于2006年6月25日降料線停爐，更換B1段冷卻壁為銅冷卻壁。近一、兩年，隨著爐齡的增加，進(jìn)入到爐役后期，爐缸爐底局部溫度上升較快，威脅著高爐的生產(chǎn)。高爐設(shè)計(jì)時(shí)爐缸爐底測(cè)溫點(diǎn)如圖1所示，在爐底設(shè)計(jì)了兩層(第1層炭磚及第4層炭磚處)共計(jì)38支熱電偶測(cè)溫；爐缸部位設(shè)計(jì)了5層(每層12支，共計(jì)60支熱電偶)，后期又增加7層(共計(jì)64支)，總體而言，測(cè)溫點(diǎn)較少，對(duì)爐缸爐底侵蝕分析造成一定影響。

圖1 爐缸爐底測(cè)溫點(diǎn)

2 侵蝕分析

2.1 近期爐缸爐底磚襯溫度演變情況

南鋼 1#高爐自 2004 年開爐至今，由于跑渣燒壞信號(hào)線等原因?qū)е录s 44支測(cè)溫?zé)犭娕紨?shù)據(jù)失真(損壞率約 30%)，其它 118 支熱電偶溫度顯示正常(正常率約 70%)；但是在爐底部位熱電偶有效點(diǎn)較少，距統(tǒng)計(jì)目前在標(biāo)高 5.59 m(即：第4層炭磚)處插深超過 1m 的熱電偶數(shù)據(jù)僅有 3 支有效，標(biāo)高 4.385 m(即：第1層炭磚)處僅有 5 支熱電偶數(shù)據(jù)有效；爐缸部位有效點(diǎn)相對(duì)較多。總的來看，目前1#高爐爐缸部位磚襯保護(hù)較好；爐底磚襯侵蝕較嚴(yán)重，爐底第1層炭磚溫度較高且升溫速率較大。

通過對(duì) 2016 年 1 月～2017 年 9 月每天的爐缸爐底平均溫度歷史數(shù)據(jù)分析可知，在爐缸爐底的不同區(qū)域，磚襯溫度呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，如圖2所示的熱電偶插入深度是指由爐殼表面開始向內(nèi)插入的距離。

圖2 磚襯溫度

(1) 在鐵口至風(fēng)口組合磚下沿區(qū)域，在標(biāo)高9.525 m和標(biāo)高10.685 m處不同深度的磚襯熱電偶溫度數(shù)據(jù)長(zhǎng)期較為穩(wěn)定且維持在60～130 ℃之間，說明鐵口以上區(qū)域磚襯處于安全工作狀態(tài)。

(2) 在鐵口以下至爐底陶瓷墊上沿的死鐵層區(qū)域，即標(biāo)高 7.2～ 9.2 m(鐵口中心線)的區(qū)域，該區(qū)域同一標(biāo)高處周向熱電偶溫度分布較均勻，且其變化范圍在 80～140 ℃之間。在 1 號(hào)鐵口附近標(biāo)高 7.435 m 層熱電偶的溫度較其他位置處溫度高，但其溫度升高幅度較小，可基本判斷該區(qū)域處于安全可控狀態(tài)。此外，通常該區(qū)域是“象腳狀”侵蝕多發(fā)區(qū)，綜合H3 段冷卻壁水溫差及熱流強(qiáng)度數(shù)據(jù)和熱電偶溫度可判斷出在該區(qū)域沒有發(fā)生明顯“象腳狀”侵蝕。

(3) 在1號(hào)鐵口下方區(qū)域，標(biāo)高 6.965 m 處插深為 390 mm 的熱電偶溫度達(dá)到195 ℃，而同剖面該熱電偶上、下位置的熱電偶溫度均在 100 ℃左右，說明 1 號(hào)鐵口下方附近該標(biāo)高處存在一定程度的“象腳狀”侵蝕。在爐芯位置標(biāo)高 5.59 m 處的爐芯熱電偶已經(jīng)被燒壞；而標(biāo)高 4.385 m 處爐芯的溫度也是在近一年半的時(shí)間里由 310 ℃快速上升到接近600 ℃，表明爐底侵蝕速度較快。由此可以斷定，目前 1 號(hào)鐵口下方在第一層陶瓷墊底層附近區(qū)域存在一定的“象腳狀”侵蝕，但其侵蝕程度較?。欢壳?#高爐面臨最嚴(yán)重的是爐底侵蝕。

2.2 爐缸爐底侵蝕演變規(guī)律分析

2.2.1 開爐初期爐缸爐底溫度場(chǎng)分布

如圖3所示為該高爐開爐后爐缸爐底的溫度場(chǎng)分布，可見由于高隔熱陶瓷杯的存在，在爐缸側(cè)壁爐底 350～1250 ℃的等溫線都集中在了剛玉質(zhì)磚。因此，高溫等溫線在陶瓷杯厚度較厚時(shí)都難以被推出耐材的熱面，導(dǎo)致爐缸爐底在開爐初期難以形成“自保護(hù)”的凝鐵殼，只能待陶瓷杯侵蝕到一定厚度后才可能形成凝鐵殼來保護(hù)冷面的炭磚。

圖3 開爐初期1150 ℃等溫線

如圖4所示，高爐開爐后陶瓷杯逐漸被侵蝕。為了明確隨著陶瓷杯的減薄，爐缸爐底溫度場(chǎng)的變化情況和凝鐵殼是否可以形成，進(jìn)一步對(duì)爐缸爐底磚襯剩余不同厚度時(shí)的溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。

圖4 開爐初期爐缸爐底等溫線分布

如圖5所示為高爐爐缸陶瓷杯、爐底陶瓷墊侵蝕后對(duì)應(yīng)的爐缸爐底的溫度場(chǎng)分布，可見當(dāng)爐缸側(cè)壁無陶瓷杯時(shí) 1150 ℃侵蝕線被推出熱面，說明此時(shí)對(duì)應(yīng)的炭磚熱面能夠形成自保護(hù)凝鐵殼，而且由于此時(shí)剩余的磚襯為高導(dǎo)熱系數(shù)的NMD+NMA 熱壓小塊炭磚，確保了陶瓷杯在減薄到平衡厚度時(shí)能夠形成“動(dòng)態(tài)準(zhǔn)穩(wěn)定”的自保護(hù)凝鐵殼。

圖5 陶瓷杯及陶瓷墊被侵蝕后溫度場(chǎng)分布

此外，高爐呈現(xiàn)出爐缸側(cè)壁實(shí)際溫度明顯低于其他同類型高爐爐缸側(cè)壁溫度的特點(diǎn)，說明高爐爐缸陶瓷杯侵蝕速率較慢，在爐缸側(cè)壁形成了“自保護(hù)”的凝鐵殼。

在爐底部位，可見當(dāng)陶瓷墊侵蝕后，爐底的 1150 ℃侵蝕線距離炭磚熱面仍有一段距離，說明爐底區(qū)域在陶瓷墊被侵蝕后，下層的炭磚將被繼續(xù)侵蝕，現(xiàn)階段爐底第 4 層炭磚標(biāo)高 5.59 m 處的爐芯熱電偶已經(jīng)被燒壞，而且第一層炭磚標(biāo)高 4.385 m處的爐芯溫度在一年半的時(shí)間內(nèi)由 310 ℃升高到 580 ℃，這說明在1#高爐運(yùn)行的時(shí)間內(nèi)在爐底區(qū)域一直沒有形成穩(wěn)定的凝鐵層。

2.2.2 目前爐缸爐底侵蝕模擬及關(guān)鍵部位殘厚推演

在對(duì)爐缸爐底熱電偶溫度規(guī)律及有效性進(jìn)行分析后，為了進(jìn)一步明確目前爐缸爐底侵蝕內(nèi)型和殘磚厚度，選取了1號(hào)鐵口下方區(qū)域所在的磚襯溫度最高的縱剖面以及爐底磚襯溫度最高的剖面，建立侵蝕反問題數(shù)學(xué)模型，依據(jù) 2017年 9 月 11 日的電偶溫度，對(duì)這兩個(gè)剖面的侵蝕內(nèi)型和溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算。

圖6 1號(hào)鐵口縱剖面爐缸及爐底侵蝕內(nèi)型及溫度云圖

如圖6所示，1150 ℃等溫線即為侵蝕線，可見在爐缸側(cè)壁仍有一定剩余，爐缸爐底拐角區(qū)炭磚發(fā)生了一定程度的侵蝕，并有形成“象腳狀”侵蝕特征的趨勢(shì)，即爐缸爐底拐角處的侵蝕程度要比爐缸上部要稍微大一些，經(jīng)計(jì)算目前爐缸側(cè)壁侵蝕最薄部位在標(biāo)高 6.965 m 處(距離鐵口中心線約 2.235 m)，剩余炭磚在徑向上的厚度為 760 mm；爐底整體侵蝕較嚴(yán)重，且中心侵蝕要大于邊緣，爐底中心侵蝕最嚴(yán)重部位炭磚剩余厚度為 1125 mm。

2.3 爐缸爐底侵蝕特點(diǎn)及原因分析

(1) 從 2016 年1月至今的爐缸爐底內(nèi)磚襯升溫速率來看，爐缸側(cè)壁溫度變化相對(duì)正常，而爐底由 310 ℃上升到 600 ℃左右，升溫速度偏快。

(2) 對(duì)比該高爐爐缸不同高度區(qū)域的磚襯溫度變化特點(diǎn)，可知側(cè)壁溫度最高在爐缸爐底拐角區(qū)(1 號(hào)鐵口下方標(biāo)高 6.965 m 處)，對(duì)應(yīng)的侵蝕模型計(jì)算結(jié)果也呈現(xiàn)出一定程度的“象腳狀”侵蝕特征，但是侵蝕程度較小。

(3) 高爐呈現(xiàn)出 1 號(hào)鐵口所在的縱剖面較輕的“象腳狀”侵蝕和嚴(yán)重的爐底侵蝕的特征，這可能是由于以下幾個(gè)原因：①高爐運(yùn)行至今已達(dá) 13 年，在爐底沒有自保護(hù)凝鐵殼形成的情況下，爐役侵蝕逐漸加劇；②作為爐役后期的高爐，該高爐利用系數(shù)仍達(dá)到 2.4 左右，產(chǎn)量并未明顯減低，爐缸排放及透液性相對(duì)較好，爐缸死焦堆中心高溫鐵水流通性好，也會(huì)加劇爐底侵蝕向“鍋底狀”發(fā)展，同時(shí)爐缸側(cè)壁磚襯溫度較低、侵蝕較輕，也驗(yàn)證了爐環(huán)流較弱、爐缸死焦堆透液性好的特點(diǎn)；③該高爐在爐底設(shè)計(jì)上，爐底水冷卻距離爐底石墨磚的下表面間距較大，熱阻偏高，同時(shí)一般高爐在烘爐時(shí)由于未做到閉水烘爐，爐底搗料往往難以達(dá)到其要求的烘爐溫度，也會(huì)造成實(shí)際搗料的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值，并且在高爐運(yùn)行過程中可能產(chǎn)生一定的氣隙，造成爐底熱阻升高，抑制了爐底冷卻效果；④目前由于高爐冷卻壁燒損較多，不可避免地有冷卻水漏入到爐內(nèi)分解，造成爐底炭磚侵蝕加??；⑤爐底中心侵蝕過于嚴(yán)重，還可能是由于有害元素如鉛鋅堿金屬等的影響。

3 爐缸爐底安全監(jiān)控應(yīng)對(duì)措施

高爐爐缸爐底侵蝕都會(huì)經(jīng)歷如下階段：開爐初期有陶瓷杯保護(hù)下的磚襯溫度相對(duì)較低的不可逆侵蝕→僅剩余炭磚時(shí)在炭磚厚度較厚時(shí)的快速升溫的不可逆侵蝕→達(dá)到傳熱平衡的歷史最高侵蝕→自保護(hù)凝鐵殼形成后的溫度回落并趨于穩(wěn)定的“凝鐵殼生成/脫落動(dòng)態(tài)平衡”的工作狀態(tài)→高爐生產(chǎn)操作及原燃料條件控制得當(dāng)條件下的長(zhǎng)壽或者是由于氣隙、風(fēng)口漏水、產(chǎn)量過高、爐缸透液性惡化等情況下的打破“平衡狀態(tài)”達(dá)到“預(yù)警狀態(tài)”，被動(dòng)采取爐缸維護(hù)手段。目前，對(duì)于1#高爐而言，其第一階段即陶瓷墊保護(hù)期相對(duì)較短，已開始進(jìn)入第二階段即依靠炭磚的傳熱和熱阻逐漸減小以向平衡狀態(tài)發(fā)展的階段，但依據(jù)爐底熱電偶溫度數(shù)據(jù)的顯示，目前在爐底還沒有形成穩(wěn)定的凝鐵層，導(dǎo)致爐底炭磚不停地被侵蝕。可初步推斷爐底部位可能存在氣隙，使得沒能達(dá)到平衡狀態(tài)。而在爐役后期階段，高爐爐缸爐底安全運(yùn)行到停爐大修是整個(gè)生產(chǎn)過程的重中之重。

根據(jù)上述分析，可從以下幾個(gè)方面采取措施，以確保高爐的安全生產(chǎn)：

(1) 作為 2 000 m3級(jí)別的高爐，高爐在爐缸侵蝕監(jiān)測(cè)條件上明顯不足： 1#高爐爐缸熱電偶數(shù)目偏少僅為 162 支(目前溫度正常的熱電偶僅為 118 支)，圓周方向上僅有6個(gè)剖面，兩剖面間隔距離較大，如果中間區(qū)域發(fā)生異常侵蝕在現(xiàn)有檢測(cè)條件下難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)。此外，1#高爐已經(jīng)呈現(xiàn)出爐底侵蝕嚴(yán)重，而恰恰在爐底炭磚不同層區(qū)域，僅僅在第一層炭磚及第四層炭磚處布置有測(cè)溫?zé)犭娕迹渌麑泳鶡o檢測(cè)點(diǎn)。此外，1#高爐安裝的爐缸冷卻壁水溫差及熱流強(qiáng)度在線檢測(cè)系統(tǒng)也存在缺陷，目前1#高爐爐底侵蝕嚴(yán)重以及在 1 號(hào)鐵口下方出現(xiàn)一定程度的“象腳狀”侵蝕，而這些侵蝕區(qū)域恰好正對(duì)應(yīng)于 H1 和 H2 段冷卻壁，然而現(xiàn)有的檢測(cè)系統(tǒng)沒有為 H1、H2 段單獨(dú)設(shè)計(jì)水溫差及熱流強(qiáng)度監(jiān)測(cè)，這就導(dǎo)致了無法關(guān)注關(guān)鍵區(qū)域的水溫差及熱流強(qiáng)度，為高爐安全運(yùn)行留下隱患。因此，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)1#高爐爐缸的安全監(jiān)控和維護(hù)，利用檢修期間為爐缸2段每2塊冷卻壁之間的“危險(xiǎn)弱冷區(qū)”安裝無線吸附式爐皮測(cè)溫裝置，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

(2) 由于1#高爐水溫差檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)無法提供支持，為此只能依據(jù)熱電偶溫度以及經(jīng)驗(yàn)去推測(cè)目前高爐在爐底區(qū)域可能存在氣隙，可采取爐底灌漿消除氣隙。此外，在成功灌漿消除氣隙后，磚襯溫度和侵蝕內(nèi)型并不會(huì)立刻發(fā)生極大的改善，而是在消除了傳熱限制環(huán)節(jié)后，還要通過傳熱平衡和內(nèi)部高溫鐵水流動(dòng)狀態(tài)的控制來逐漸形成自保護(hù)凝鐵殼后，磚襯溫度才會(huì)顯著降低。

(3) 從產(chǎn)量控制層面，根據(jù)條件可以適當(dāng)限制產(chǎn)量，同時(shí)密切把控原燃料質(zhì)量、料柱透氣性指數(shù)、爐缸活躍性和渣鐵排放，因?yàn)闋t底爐缸侵蝕表面上受產(chǎn)量、風(fēng)量影響明顯，但從本質(zhì)上更加受爐底爐缸透液性和鐵水流動(dòng)狀態(tài)的影響。

4 結(jié)束語

(1) 爐缸側(cè)壁1號(hào)鐵口42°方向標(biāo)高6.965 m區(qū)域?qū)?yīng)的侵蝕較其他位置嚴(yán)重，存在一定程度的“象腳狀”侵蝕，但其侵蝕程度較小。該處插深 390 mm 的熱電偶最高溫度接近 200 ℃，對(duì)應(yīng)爐缸側(cè)壁最薄殘襯厚度 760 mm。

(2) 爐缸側(cè)壁侵蝕從圓周方向上分析，3個(gè)鐵口及附近區(qū)域的侵蝕明顯比遠(yuǎn)離鐵口的區(qū)域嚴(yán)重，其中 1 號(hào)鐵口附近侵蝕最為嚴(yán)重，3 號(hào)鐵口其次，2 號(hào)鐵口附近侵蝕較緩慢。但總體來說：爐缸側(cè)壁在周向上較為安全，侵蝕相對(duì)安全可控。

(3) 爐底區(qū)域侵蝕較嚴(yán)重。在第1層炭磚處的爐芯熱電偶溫度達(dá)到580 ℃，根據(jù)離線侵蝕模型推演目前爐底中心部位侵蝕最嚴(yán)重處殘襯厚度約1125 mm，即爐底中心部位已經(jīng)侵蝕到第3層炭磚。

(4) 通過一系列應(yīng)對(duì)措施，如提高冷卻強(qiáng)度，限產(chǎn)，加鈦?zhàn)o(hù)爐，穩(wěn)定爐況，提高入爐原燃料條件等措施，為高爐大修前的安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。